介電鐵電陶瓷概況

1、第2章介電鐵電陶瓷主要內(nèi)容 2.1概述 2.2陶瓷的極化 2.3介電陶瓷材料 2.4鐵電陶瓷材料鐵電體 2.5壓電及熱釋電陶瓷概述是電子和電氣工程中不可 缺少的功能材料，它主要應(yīng)用材料的介電性能。這 一類材料總稱為電介質(zhì)。電導(dǎo)率很低的材料，在電場(chǎng)作用下會(huì)沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩，在靠近電極的材料表 面會(huì)產(chǎn)生束縛電荷，這種材料成為介電體或電介質(zhì), 這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的極化指電阻率108 Q皿的陶瓷材料，能承受較強(qiáng)的電場(chǎng)而不被擊穿O2.1概述按其在電場(chǎng)中的極化特性，可分為：-電絕緣陶瓷-電容器陶瓷-后來又發(fā)現(xiàn)了壓電、鐵電和熱釋電陶瓷2.2陶瓷的極化導(dǎo)體中的在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)，形成傳導(dǎo)電流。但在電介

2、質(zhì)中，原子、分子或離子中的正負(fù)電荷則以共價(jià)鍵或離子鍵的形式被相互強(qiáng)烈地束縛著，通常稱為在電場(chǎng)作用下，束縛電荷間的相對(duì)偏移，產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。在外電場(chǎng)作用下，電介質(zhì)內(nèi)部感生偶極矩的現(xiàn) 象，稱為電介質(zhì)的極化。偶極子偶極子ji=q/ （單位：庫(kù)侖米）電偶極矩外場(chǎng)越強(qiáng)，/越大，口越大；電場(chǎng)消失,日消失性質(zhì)有關(guān)，表征材料的極化能力極化的基本形式電子極化離子極化空間電荷極化2.2陶瓷的極化介電材料的極化，其原理是 對(duì)材料施以一個(gè)電場(chǎng)或磁場(chǎng) 都能使其產(chǎn)生不平衡電荷的 原子或原子團(tuán)，結(jié)果材料內(nèi) 的電荷立即重新分布。對(duì)于理想的介電材料電壓加 上時(shí)立刻產(chǎn)生電荷與極化， 提高了材料的介電系數(shù)化是由電子極化、離子極化和

3、偶極 化組成的，大致可分為以下兩類是一種彈性的極 化、瞬時(shí)完成， 過程不消耗能量與熱運(yùn)動(dòng)有關(guān)， 屬非彈性極化， 需要一定的時(shí)間 需要能量電子極化在外電場(chǎng)作用下,Electronic PolarizationE=0外圍的電子云相對(duì)于原子核發(fā)生相對(duì)位移形成的極化。4 = 4在。/建立或消除電子極化的 時(shí)間極短，約為10一6 10-I6s當(dāng)電子軌道半徑增大時(shí)，電子極化率很快地增加。-T/VWW在外電場(chǎng)作用下，構(gòu) 成分子的離子發(fā)生相 對(duì)位移而形成的極化 離子極化建立或消除 的時(shí)間很短，與離子 在晶格振動(dòng)的周期有 相同數(shù)量級(jí)，約為10 12 1013s無電場(chǎng)有電場(chǎng)離子極化示意圖偶極子轉(zhuǎn)向極化具有恒定偶極

4、矩的極性分子,在外加電場(chǎng)作用下，偶極于發(fā)生 轉(zhuǎn)向，趨于和外加電 場(chǎng)方向一致，整體表 現(xiàn)為宏觀偶極矩。偶極子趨向極化Dipolar PolarizationE=0E£ 3k T(4)空間電荷費(fèi)化 陶瓷多晶體在電場(chǎng)中空間電 荷在晶粒內(nèi)和電疇中移動(dòng)，聚 集于邊界和表面而產(chǎn)生的極化。 在不均勻介質(zhì)中，如介質(zhì)中 存在晶界、相界、晶格畸變、 雜質(zhì)、氣泡等缺陷區(qū)，都可形 成空間電荷極化r隨溫度升高而下降溫度升高，離子運(yùn)動(dòng) 加劇，離子擴(kuò)散容易, 使空間電荷減少 空間電荷的建立需要較長(zhǎng)時(shí) 間，大約幾秒到數(shù)十分鐘，甚 至數(shù)十小時(shí)，因此只對(duì)直流和 低頻下的介電性質(zhì)有影響子取向被化四種極化疊加2.3介電陶瓷

5、材料介電陶瓷可分為電絕緣陶瓷和-由于振蕩回路總是由電感和電容構(gòu)成，回路中的電 感元件一般具有正的電感溫度系數(shù)，為了保持振蕩 回路的頻率不隨溫度變化而發(fā)生漂移，就必須使用 適當(dāng)負(fù)溫度系數(shù)的電容器來補(bǔ)償，這種電容器就稱 之為溫度補(bǔ)償電容器。 2.3.1溫度補(bǔ)償電容器用介電陶瓷-這種陶瓷介質(zhì)一般具有中低介電常數(shù)，要 求溫度系數(shù)值穩(wěn)定，特別在高頻及較高溫 2.3.2微波介質(zhì)陶瓷(微波通信等)PMnOBaTiQg微波是一種頻率為 米到1毫米范圍內(nèi)口 段對(duì)應(yīng)的頻率,廠 如下圖所示。而的電磁波。把波長(zhǎng)從1 7支稱為微波波波 >'HZo3X I (f3X10 3Xltf 3X1(? 3XI(f

6、3XI0，CA(m) idl(fIff IO110410110,a，要求具有高介電常數(shù),低介質(zhì)損耗,低膨脹系數(shù) 和低介電常數(shù)溫度系數(shù)微波波段劃分如卜.:波段波長(zhǎng)范圍頻率范圍波段名稱分米波厘米波毫米波lm 10cm 0. 3 3GHz1 Ocm 1cm 3 30GHz1cm 1mm 30 - 300GHz特高頻(UHF)超高頻JW1_極高頻(EHF)微波信號(hào)由于其頻率極高，波長(zhǎng)極短，因而 具有如下特點(diǎn)為：由于頻率高，信息量大，所以十分有利于在通信 技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。目前微波通信所包含在可使用 波段已超過整個(gè)長(zhǎng)、中、短波段的1000倍以上。可直線傳播，具有很強(qiáng)的傳播方向性，以及高能 量和對(duì)于金屬目標(biāo)

7、的強(qiáng)反射能力。因此，在雷達(dá)、 導(dǎo)航等方面有利于提高發(fā)射和跟蹤目標(biāo)的準(zhǔn)確性對(duì)不同介質(zhì)具有強(qiáng)穿透和強(qiáng)吸收能力，從而可實(shí) 現(xiàn)穿透高空中電離層的衛(wèi)星通信，時(shí)行微波醫(yī)療 診斷、微波探傷以及作為微波吸收材料和發(fā)熱體微波設(shè)備的數(shù)字化可實(shí)現(xiàn)通信的保密性。2.3介電陶瓷材料 2.3.3高介電容器陶瓷-£可高達(dá)40008000,在濾波、旁路、穩(wěn)壓、 整流及交流斷路器中廣泛使用-這類陶瓷不僅要£高，而且溫度穩(wěn)定性好，居里 點(diǎn)在工作溫度范圍內(nèi)，且能方便地被調(diào)整 2.3.4 高壓陶瓷電容器（電子線路中）電容器常用的電容器24鐵電陶瓷會(huì) 一般介電體，加上電場(chǎng)發(fā)生極化去掉電場(chǎng)極化就消失，而鐵電體有自發(fā)極

8、化現(xiàn)象。自發(fā)極化：在無外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱 為自發(fā)極化。鐵電又稱強(qiáng)介電，在一定溫度范圍內(nèi)可發(fā)生自極 化，在外場(chǎng)作用下自發(fā)極化能夠隨電場(chǎng)改變電偶 極子方向，并且撤去外場(chǎng)后能保留剩余極化，這 種性質(zhì)叫鐵電性鐵電體的極化強(qiáng)度P隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的變化軌跡鐵電體的自發(fā)極化只在某一溫度范圍內(nèi)才存在， 當(dāng)溫度超過某一極限值以后，自發(fā)極化即行消失。 這一物理過程的臨界溫度廠被成為“居里溫度”-存在自發(fā)極化的晶體結(jié)構(gòu)稱為“鐵電相”-自發(fā)極化消失的晶體結(jié)構(gòu)稱為“順電相”如果晶體出現(xiàn)不止一次相變，存在不止一種鐵電，汨）則將溫度 發(fā)為居里點(diǎn),其他相變則稱為轉(zhuǎn)變點(diǎn)1CWP ttrtkw-ISC -1。0BaTR

9、介電常數(shù)的溫度關(guān)系主要鐵電陶瓷以BaTiC或PbTi/基固溶體為主晶相的鐵 電陶瓷，是鐵電陶瓷的代表性陶瓷材料，是 制造電容器的重要材料之一 BaTiC 具有-六方相: 一立方相:-四方相:-斜方相:-三方相:> 1460 （鐵電陶瓷中應(yīng)盡量避免）壓力對(duì)BaTiC)3基鐵電陶瓷的影響J500.2000、z300,7W)80 KM) 120 140TfV(h)00020 40 60 80 100 12014016() 77V (b)X) 4 4封歸百圖f> JS H力對(duì)"J陶資介電常數(shù)-溫度曲線的影胸標(biāo)他恥單向壓力”1的情況(的中數(shù)字第位為過um . lkKf nn - -

10、98l665kP小 (b)能加等靜壓時(shí)的以此國(guó)中數(shù)字單位為MJ，a$鐵電電容器陶瓷-BaTiC>3高電容的電容器-PbTiO3-鋸酸鉛透明鐵電陶瓷- PLZT PbxLax(ZyTi.y) 1/4。3 2.5 ,壓電及熱釋電陶瓷 1990年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)：當(dāng)對(duì)a石英晶體在 某些特定方向上加壓力時(shí)，在力方向的垂直于 面上出現(xiàn)正、負(fù)束縛電荷，這科現(xiàn)象稱為壓電 效應(yīng)某些電介質(zhì)晶體中，可,并因而引起表面電荷的現(xiàn)象稱為克力作用而發(fā)生戰(zhàn)陶瓷是由許多小晶粒構(gòu)成的多晶體，這些小晶粒通常是無規(guī)則地排列，使陶瓷為各向同性材料，一般不顯示壓電效應(yīng)。鐵電陶瓷在居里溫度以下時(shí)具有自發(fā)極化和電疇,在強(qiáng)直流電場(chǎng)作用下

11、，電疇將沿電場(chǎng)的方向取向，當(dāng)撤去電場(chǎng)后，陶瓷仍保留具有沿電場(chǎng)方向的剩余極化,表現(xiàn)為單軸的各向異性。F口如累在鐵電陶崖片兩惻放上電遇，進(jìn)行極化,使內(nèi) 邪晶救定向排列，陶亮便具有壓電性，成為壓電陶企任電性的條件:工極化處理的徐電陶金-陶瓷內(nèi)的晶粒呈鐵電性-陶瓷經(jīng)強(qiáng)直流電場(chǎng)處理，即極化處理目前應(yīng)用最廣泛的壓電陶瓷都屬于鈣鈦礦 型(ABO3)結(jié)構(gòu)，如鈦酸鋼，鈦酸鉛 PbTiO. (PT).,錯(cuò)鈦酸鉛Pb(Ti“ZQO3 (PZT)：錯(cuò)鈦酸鉛鐲，鋸酸鉀鈉'.壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：當(dāng)對(duì)某些晶體施加壓力、張力或切向 力時(shí)，則發(fā)生與應(yīng)力成正比例的介質(zhì)極化，同時(shí)在 晶體兩端將出現(xiàn)數(shù)量相等、符號(hào)相反地束縛電

12、荷， 這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：在晶體上施加電場(chǎng)引起極化時(shí)，將產(chǎn) 生與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比例的變形或機(jī)械應(yīng)力。正、逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的機(jī)理陶瓷由許多排列無序的小晶粒構(gòu)成，具有各向同性，不顯 示壓電性。經(jīng)電場(chǎng)處理后,陶瓷存在剩余極化強(qiáng)度，它是以 束縛電荷的形式表現(xiàn)出來，且由各向同性變成各向異性,從 而具有壓電性。由于束縛電荷的作用,在陶密片兩極板上吸附了一層表面電荷，這些附電荷與片內(nèi)束縛電荷數(shù)量相等,符號(hào)相反, 起屏蔽和抵消片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。電場(chǎng)處理后的陶瓷片當(dāng)在瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓 力F時(shí),在應(yīng)力的作用下瓷片發(fā)生壓縮形變,片 內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變小，

13、極化強(qiáng)度也變小，原來吸附在電極上的自由電荷有一部分被釋放出來,這就是被壓縮后出現(xiàn)的壓電效應(yīng) （正壓電）。其過程示意所示：圖IX 20 正用電效ZB示意便實(shí)總代，利會(huì)IfirME況，mm代&帝交G幻帔泥當(dāng)壓力撤去后,陶瓷片恢復(fù)原狀（膨脹 過程），陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離 變大，極化強(qiáng)度也變大，因此，電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。當(dāng)在瓷片上施加與極化方向相同的時(shí)，此時(shí)增大了極化強(qiáng)度，瓷片發(fā)生伸長(zhǎng)形變，此時(shí)，電能變?yōu)闄C(jī)械能（逆壓電）。此 過程示意如下：網(wǎng)13.21逆色電效友示意國(guó)實(shí)株代友也先相的侑況金長(zhǎng)代表至交行的情田）量化方育ffl 13.20正Hi電效應(yīng)示意圖（文猿代表

14、臚女的的情況,戊代去影交后的情況，壓電陶瓷的性能參數(shù)介電性質(zhì)方面：介電常數(shù)、介質(zhì)損耗-介電常數(shù)£反映材料的介電性質(zhì)，或者說反映材料的極 化性質(zhì)，不同用途的壓電元件對(duì)材料的介電常數(shù)要求 也木向陶直揚(yáng)聲器、送話器要求£大一些好高頻壓電元件剛要求£小一些好-介電損耗（?。椥孕再|(zhì)方面：彈性常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因子Qm-表示陶瓷材料在諧振時(shí)機(jī)械損耗的大小- Qm與機(jī)械損耗成反比壓電性質(zhì)方面：壓電常數(shù)、機(jī)械耦合系數(shù)居里溫度、頻單常數(shù)、密度以及與老化性能和溫 度性能有關(guān)的參數(shù)I籥色mnn壓電材料主要工程參數(shù)2 =通過正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的電能輸入的機(jī)械能2 =通過逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的械能&q

15、uot;輸入的電能壓電陶瓷的應(yīng)用:在水聲技術(shù)中的應(yīng)用上在超聲技術(shù)中的應(yīng)用主在高電壓發(fā)生裝置上的應(yīng)用任 在濾波器上的應(yīng)用上壓電陶瓷水聲換能器是利用壓電陶瓷的正、聲波來完成水下觀察、逆壓電效應(yīng)發(fā)射聲波或接收 通信和探測(cè)工作。具體過程如下：壓電陶瓷在電場(chǎng)作用下具有正負(fù)極, 能產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，在交變電場(chǎng)作用下發(fā)生振動(dòng),振動(dòng)在聲頻范圍內(nèi)就能發(fā)出聲音，當(dāng)在共振頻率時(shí)就能發(fā)出很強(qiáng)的聲波，能傳幾海里以至幾十海里,碰到障礙物就能反射回來，壓電陶瓷接收反射波并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，記錄電信號(hào)，計(jì)算傳播時(shí)間和方向就可判斷障礙物的方向和位置。具有水中雷達(dá)的作用。 超聲清洗裝置¥利用壓電陶瓷的，在高驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)下產(chǎn)生高

16、強(qiáng)度超聲波，用這種壓電振子來振蕩液體，連細(xì) 小深孔中的油污都能清除干凈。 超聲醫(yī)療診斷技術(shù)用壓電陶瓷制成的超聲波發(fā)生探頭發(fā)出的超聲波在 體內(nèi)傳輸，遇到病灶能反射回來，壓電陶瓷傳感器 接收并在熒光扉上顯示出來。 超聲乳化、超聲打孔、超聲粉碎、超聲波測(cè)距計(jì)、 電視機(jī)遙控等。利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，可以簡(jiǎn)單地將機(jī) 械能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生高電壓。壓電陶瓷可作為：壓電點(diǎn)火器、煤氣灶點(diǎn)火器、打火機(jī)、壓電開關(guān)等。#濾波器的主要功能是決定或限制電路的工作頻 率，壓電陶瓷濾波器利用壓電陶瓷的諧振效應(yīng), 在線路中分割頻率，只允許一段頻率通過。 應(yīng)用：電視機(jī)的視屏中間濾波器、調(diào)頻接收機(jī) 用中頻濾波器等。A主要用途：

17、高檔醫(yī)用B超探頭材料性能：介電常數(shù)可高達(dá)5000、6000、7000系歹ij熱釋電效應(yīng)：晶體由于溫度的變化而發(fā)生自發(fā)極 化，在晶體的一定方向上產(chǎn)生表面電荷的現(xiàn)象稱 為熱釋電效應(yīng)。具有這種效應(yīng)的陶瓷稱為熱釋電 陶瓷具有熱釋電效應(yīng)的必要條件一自發(fā)極化O鈦酸鐵，鈦酸鉛，錯(cuò)鈦酸鉛熱釋電紅外探測(cè)器（紅外傳感器） 入侵報(bào)警 火焰探測(cè) 紅外熱象儀等應(yīng)用：紅外探測(cè)器是一種高科技產(chǎn)品，具有很高的性價(jià)比。除了軍事應(yīng) 用外，在工業(yè)設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)控、疾病早期診斷與醫(yī)療監(jiān)控、消防和海上 救援用頭盔夜視儀、高速公路和銀行夜間安全監(jiān)視、森林火災(zāi)預(yù)警、倉(cāng) 庫(kù)和重要物資的夜間監(jiān)控與保衛(wèi)、執(zhí)法輯毒和生活小區(qū)防范等領(lǐng)域具有 廣闊的應(yīng)用前景與巨大的市場(chǎng)潛力。未來20年紅外探測(cè)器的需求量預(yù)計(jì) 年增長(zhǎng)率將達(dá)到20%以上。特點(diǎn)：熱釋電材料（單晶、陶姿和薄膜）是紅外探測(cè)器的關(guān)